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胡子阳:铺就太阳能的美好明天


    太阳能作为一种可信赖的清洁能源,这一产业有着巨大的潜力。随着太阳能产业的快速发展,成本低、污染少的第三代新型薄膜太阳能电池正在成为研究主流和市场新宠,其中薄膜电池的多层结构设计是太阳能电池的关键环节。胡子阳的研究就是提高第三代太阳能电池的效率,为获得高效、低廉和实用的有机太阳能电池进行有效的探索。

 

行走在纳米之间

        2012年,胡子阳从南开大学到宁波大学工作,主要从事新型能源材料与器件制备以及物理机理的研究。他以其锲而不舍的努力和持之以恒的专研,重点瞄准薄膜太阳能电池中如何提高光吸收增益的研究。2013年获得省自然科学基金青年项目资助。

        “现在光伏领域研究大多集中在第三代新型薄膜太阳能电池了。胡子阳说。

    说起太阳能电池,大致可分为3代。第一代太阳能电池发展最长久技术也最成熟。多为单晶硅、多晶硅(硅片状太阳能电池)。虽效率高,但对单晶硅材料消耗量大,制作成本高,且转换效率已接近理论值,进一步发展空间有限。

  第二代太阳能电池以无机薄膜包括砷化镓、碲化镉、铜铟镓硒为主,它们对太阳光的吸收系数比晶硅高,电池厚度降为微米量级,如采用柔性塑料及不锈钢薄片作为衬底材料,还可根据需要制成大面积柔性的电池板;但这些电池对环境造成严重污染以及稀缺元素的使用而面临不可持续发展。

  第三代太阳能电池为新型薄膜叠层式结构,包括染料敏化太阳能电池、有机太阳能电池、量子点太阳能电池以及目前最新出现的钙钛矿太阳能电池。电池的吸光层厚度可降至几百纳米甚至几十纳米。由于制备成本低、生产工艺简单、大面积制备技术等优势受到业界的关注;但是效率仍然有待提高,目前主要限于实验室研究,仍需大量研究工作深入探索。

 在有机太阳能电池中,由于光生激子的扩散长度有限约为10 nm,厚的吸光层虽然能保证对入射光的充分吸收,但大部分产生的光生激子还没来得及扩散到界面就淬灭了。

 胡子阳团队研究的正是新型薄膜叠层式的有机太阳能电池,并着力解决电池中吸光层在电学上要求和光学上要求之间的矛盾。

 

与学生一起在实验室

让光留下更多一点

        “如果光直接照在平面上,那很大部分就反射到大气之中,这对太阳能的利用就大打折扣。所以我们要做的就是让太阳光能在薄膜吸收层间反复折回,直至被充分吸收。胡子阳说。而要解决有机电池的活性层厚度的这一尴尬问题,在光学上可通过增强俘获入射光的方法来达到光吸收增强的效应。利用陷光结构,通过光的反射、折射、散射,将比较单一的小入射角度的光线分散到各个方向上,增加光在吸光层的光程,从而使光的吸收增强。。胡子阳接着说。

        就是这样看似把材料从平面加工到绒面的过程,胡子阳团队用了近3年时间,初步掌握了其中奥秘,摸透了从原理到选材再到工艺的全过程。

        他们研究了不同的绒面形貌对光吸收增强的效果,以及对电极表面修饰和界面接触的优化。通过绒面,加大了光在短波里的散射,增加吸光层的吸收。同时,研究了不同的形貌对光吸收的差异,并与平面电极进行对比,研究制备具有前散射电极的有机太阳能电池。

        在掌握了光在绒面形貌的作用机理后,胡子阳团队开始研究背反射复合电极对有机电池光吸收增强效应的双重效果。实验研究同时引入绒面陷光和背反射复合电极对提高有机电池光吸收增强效应的双重影响,并研究制备了具有前散射电极和背反射复合电极的有机太阳电池原型器件。

        “这项研究也是理论分析与实验研究相结合的过程,最后得到器件结构设计看上去简单,但为进一步提高有机太阳电池的光吸收和转换效率奠定了基础。胡子阳欣慰地说。

 

绒面陷光前散射和背漫反射复合电极相结合的器件结构示意图与光路吸收图

发明是持之以恒后的灵机一动

         在胡子阳心里,搞科学研究不单单是事业的追求,还是个人潜力与兴趣的挖掘。

        为了获得高效、低廉和实用的有机太阳能电池,胡子阳几年如一日的付出,回报的是他的成果在实际中的应用。

        大多数报道仅仅从光学的角度考虑光吸收的增强效应,而在实际的有机太阳电池中,还必须要求考虑到形状和形貌特征不能影响到电极的界面接触,看似简单实则不简单。

        “我们的目标是设计并实现新型的、实用的、易于商业化的电极陷光结构,提高光的吸收效率,为进一步提高电池的光吸收和转换效率奠定基础。最大程度的提高对入射光的吸收。胡子阳说。

        目前,在省自然基金青年基金项目的资助下,研究成果均以论文和专利的形式得以体现。以第一或者第一通讯作者发表论文SCI论文12篇,截至目前已经被国际著名杂志和国内外同行引用近100次;申请的4项专利都已经通过实质审查。            

  “有时候,发明是持之以恒后的灵机一动,而这一动总会让生活变得更加美好,而我们做的就是在铺垫美好。胡子阳最后说。

 

(浙江省科技信息研究院今日科技杂志记者 刘炜彬通讯员 徐敏)

发布时间:2017-08-07 阅读数:2945

 

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